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弱碱性电解还原水最佳制备条件的试验研究
井柳新，陈蒙亮，蔡怀彧
（1. 环境保护部环境规划院,北京100012;2.中国市政工程东北设计研究总院有限公司,长春130021）
摘要 以弱碱性电解还原水为研究对象，研究制备条件对其水质的影响，并找到最佳制备条件。试验结果表明，弱碱性电解还原水的pH值与电解时间、电解电压呈正相关，与电极间距呈负相关；ORP值与电解时间、电解电压呈负相关，与电极间距呈正相关`。弱碱性电解还原水的最佳制备条件为：电解电压为10V，电极间距为15mm，电解时间为2min。
关键词 电解还原水，最佳电解条件，单因素试验法，正交试验法
Study on Preparation Conditions of Electrolyzed Reduced Alkaline Water
Jing Liuxin, Chen Mengliang, Cai Huaiyu
(1.Chinese Academy For Environmental Planning, Beijing 100012 China;2.China Northeast Municipal Engineering Design &Research Institute CO,LTD Changchun 130012 China)
Abstract To provide valuable references for the application and promotion of ERAW, this paper studies the main factors affecting its preparation and the best preparation conditions. The results shows that the pH of ERAW is positively correlated with electrolysis time and electrolysis voltage, and negatively correlated with electrode distance, ORP is negatively correlated with electrolysis time and electrolysis voltage, and positively correlated with electrode distance. The optimum preparation conditions of ERAW are obtained, that is, 10V for the electrolysis voltage, 15mm for the electrode distance, 2min for the electrolysis time.
Keywords: Electrolyzed reduced alkaline water, Electrolysis conditions, Single- factor Experiments, Orthogonal Design of Experiments
作者简介：井柳新（19841016），性别女，北京市（县）人，职务研究员，学历硕士。主要从事水环境污染。E-mail：349646725@qq.com，电话18143047287等。
0前言
安全无害的家庭饮用水是人民美好生活的基本要求。常规水处理工艺为饮用水处理技术的发展打下了良好的基础[1]，对提高饮用水水质、保障饮用水安全和居民的身体健康起到了非常积极的作用。但随着人类活动产生的各类污、废水成分也越来越复杂，由此导致的饮用水污染问题也日渐严重，常规的饮用水处理工艺难以保证饮用水安全[2]。为`满足人们对更安全、更优质饮用水的需求，一些以健康性为出水水质目标的新型饮用水深度处理技术得到迅速发展，例如电解处理、电磁处理、矿化处理等技术等[3]，新技术生产的新型饮用水—电解水因具有改善人体生理机能[4]、清除人体多余自由基，防止氧化损伤[5], 减少血细胞粘着、聚集和早期凝血现象[6]等优点备受消费者欢迎。
对于这种新型饮用水—电解水曾存在诸多命名，例如碱性离子水[7][8]、弱碱性离子水[9]等，本研究重点探讨其酸碱度、氧化还原电位、电解制备方式，为突出其这些方面的特点，将此水命名为弱碱性电解还原水。弱碱性电解还原水的研究于20世纪80年代起源于日本，日本科学家在俄罗斯已有的研究成果基础上研发出生产弱碱性电解还原水的工艺[10]。这种工艺主要用于批量生产，但因水质受多种因素影响[11]和贮藏问题未能大范围推广。目前，常用的弱碱性电解还原水制备装置为家用电解水制水机，根据运行方式的不同，弱碱性电解还原水制备装置的主体结构一般包括电源、电解槽、电极和选择性透过膜，制备装置的运行方式和主体结构的不同对出水水质、效率等均有较大的影响，本试验拟通过模拟家用制水机的产水过程，得到最佳的制备条件。
1试验装置和方法
1.1试验装置
为了便于控制制备弱碱性电解还原水的试验条件和参数，本试验采用自行设计、制作和组装的弱碱性电解还原水生成装置，装置实物图如图2-1所示，主要由电源、预处理装置（净水器）、电解槽三部分组成。
图1-1 自制弱碱性电解还原水生成装置实物图
1、 电源 2、净水器 3、电解槽
Fig.1-1 A physical diagram of a homemade device for reducing raw water from weak alkaline electrolysis
1.power source 2.water purifier 3. electrolytic cell
1.2试验方法
1.2.1弱碱性还原水的最佳制备条件
利用前述自制弱碱性电解还原水生成装置，将市政自来水经预处理装置净化后注入电解槽，打开电源即开始进行制备，关闭电源则停止制备，具体流程见图1-2。
图1-2 制备流程图
fig.1-2 Flow chart for preparation
（1）单一因素法
采用单一因素法分析电解电压、电解时间、电极间距对出水水质的影响，具体方案如下：
在电极间距为10mm，电解时间为1min的条件下，控制电压分别为5V、10V、15V、20V、25V、30V，测定出水的pH及ORP值。在研究电极间距对出水水质影响的试验中，电解电压为10V，电解时间为1min时，控制电极间距分别为10mm、15mm、20mm、25mm、30mm，测定出水的pH及ORP值。在研究电解时间对出水水质影响的试验中，电极间距为10mm，电解电压为10V时，控制电解时间分别为1min、2min、3min、4min、5min，测定出水的pH及ORP值。以上每组试验重复三次，试验结果取平均值。使用Origin软件对试验数据进行处理。
（2）正交试验法
利用正交法获得电解水的最佳制备条件。具体方案如下：
本试验中即选用标准正交表L9（34），使用正交试验设计助手进行试验设计。具体因素和水平分布见表1-1，试验方案安排如表1-2所示。
表1-1 三因素三水平分布
Tab.1-1. the orthogonal experiment in three factors and three levels
|
水平 |
因素 |
||
|
电解电压（V） |
电极间距（mm） |
电解时间（min） |
|
|
1 |
10 |
10 |
1 |
|
2 |
15 |
15 |
2 |
|
3 |
20 |
20 |
3 |
表1-2 三因素三水平试验方案
Tab.1-2 the orthogonal experimental design method in three factors and three levels
|
序号 |
因素 |
|||
|
A 电解电压（V） |
空列 |
B 电极间距（mm） |
C 电解时间（min） |
|
|
1 |
1（10） |
1 |
1（10） |
1（1） |
|
2 |
1 |
2 |
2（15） |
2（2） |
|
3 |
1 |
3 |
3（20） |
3（3） |
|
4 |
2（15） |
1 |
2 |
3 |
|
5 |
2 |
2 |
3 |
1 |
|
6 |
2 |
3 |
1 |
2 |
|
7 |
3（20） |
1 |
3 |
2 |
|
8 |
3 |
2 |
1 |
3 |
|
9 |
3 |
3 |
2 |
1 |
1.2.2验证关键影响因素与电解条件之间的回归关系
响应面法是指通过一系列确定性的试验，拟合一个响应面来模拟真实状态曲面的方法。本文使用Matlab软件，利用单因素试验及正交试验得到的数据建立适宜的数学模型，分析试验指标（pH、ORP）与试验因素（电解条件）之间的回归关系，并绘制相应的关系图。
1.3水质检测指标及方法
本试验选择对弱碱性电解还原水的水质评价更具健康意义的pH及ORP两个指标作为考察对象，其中pH反映出水的酸碱度，ORP反映出水还原性的强弱，二者的测定均使用意大利哈纳生产的HI98194便携式多参数水质分析测定仪，测定结果迅速且准确。
2结果与讨论
2.1电解电压对弱碱性电解还原水水质的影响
在电极间距为10mm，电解时间为1min的条件下，控制电压分别为5V、10V、15V、20V、25V、30V，测定出水的pH及ORP值，试验结果见表2-1及图2-1。
表2-1 不同电解电压及相应出水指标
Tab.2-1 the index from discharge of water affected by the different electrolytic voltages
|
V（V） |
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
|
pH |
7.735 |
8.37 |
8.9 |
9.17 |
9.33 |
9.50 |
|
ORP（mV） |
66 |
38 |
34 |
11 |
9 |
-16 |
图2-1 不同电解电压对出水水质的影响
Fig.2-1 effluent water quality affected by the different electrolytic voltages
根据上述试验结果可知，电解电压对弱碱性电解还原水的pH值和ORP值均有较大影响，其中pH值随电解电压的升高而持续增大，且电压在5V至15V之间变化幅度更大，之后逐渐趋于平缓；ORP值随电解电压的升高而逐渐降低。综合pH值和ORP值的变化情况，本电解系统较适宜的电压值为10～20V，这一电压范围也在极限电压范围（3V～32V）之内。
2.2电极间距对弱碱性电解还原水水质的影响
在电解电压为10V，电解时间为1min的条件下，控制电极间距分别为10mm、15mm、20mm、25mm、30mm，测定出水的pH值及ORP值，试验结果见表2-2及图2-2。
表2-2 不同电极间距及相应出水指标
Tab.2-2 the index from discharge of water affected by the different electrode intervals
|
h（mm） |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
h |
|
pH |
8.53 |
8.31 |
8.13 |
7.88 |
7.87 |
pH |
|
ORP（mV） |
45 |
44.5 |
118.5 |
127 |
127.5 |
ORP |
图2-2 不同电极间距对出水水质的影响
Fig.2-2 effluent water quality affected by the different electrode intervals
根据上述试验结果可知，电极间距对弱碱性电解还原水的pH值和ORP值均有较大影响，其中pH值随电极间距的增大而降低，ORP值随电极间距的增大而升高。若制取弱碱性电解水，需减小电极间距，但电极间距过小会使极板间水量不足，无法达到良好的离子交换效果，因此，电极间距应在保证极板间水量和出水水质的情况下尽可能小。经综合考量，在此将本试验体系的适宜极板间距定为10mm～20mm。
2.3电解时间对弱碱性电解还原水水质的影响
在电极间距为10mm，电解电压为10V的条件下，控制电解时间分别为1min、2min、3min、4min、5min，测定出水的pH值及ORP值，得到试验结果见表2-3及图2-3。
表2-3 不同电解时间及相应出水指标
Tab.2-3 the index from discharge of water affected by the different electrolysis time
|
t（min） |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
pH |
7.56 |
8.42 |
8.99 |
9.32 |
9.34 |
9.38 |
|
ORP（mV） |
176 |
41 |
8 |
-35 |
-75 |
-112 |
图2-3 不同电解时间对出水水质的影响
Fig.2-3 effluent water quality affected by the different electrolysis time
根据上述试验结果可知，在电解时间为5min 的范围内，总体上电解时间对弱碱性电解还原水的pH值和ORP值均有较大影响，其中pH值随电解时间的延长而增大，且3min以内变化幅度较大，之后趋于平缓，说明3min左右原水已基本电离完全；ORP值则随电解时间的延长持续保持较大降幅。pH值在较短时间（1min）内即可达到要求，而ORP值的达标则需要较长时间，在电解3min之后才能呈现负值，可见弱碱性电解还原水的制备需要一定的时间，综合电极寿命和能耗问题，本电解系统的适宜电解时间为1～3min。
2.4最佳的制备条件
2.4.1正交试验分析
针对上述电解电压、电极间距、电解时间对弱碱性电解还原水水质影响的试验结果，选择适宜的电解条件范围设计三因素三水平正交试验，得到试验结果见表2-4，直观分析结果见表2-5。
表2-4 三因素三水平正交试验结果
Tab.2-4The three factors and three levels orthogonal experiment design test result
